摘 要： 研究了在SDH光傳輸系統(tǒng)" title="光傳輸系統(tǒng)">光傳輸系統(tǒng)中如何使用清華大學(xué)自主開發(fā)的SDH高階" title="高階">高階芯片MXH0155－2實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)自愈(SHR)的問題；給出了兩種切實(shí)可行的方案：通道保護(hù)倒換自愈和復(fù)用" title="復(fù)用">復(fù)用段保護(hù)倒換自愈，并且給出了各自的電路結(jié)構(gòu)并比較分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)；提出了一種利用APS字節(jié)的復(fù)用段保護(hù)倒換協(xié)議。
關(guān)鍵詞： 同步數(shù)字系列 自愈環(huán) 自動(dòng)保護(hù)倒換
在SDH通信傳輸系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，通常都要組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。環(huán)網(wǎng)絡(luò)是一系列的封閉節(jié)點(diǎn)集，其中每一節(jié)點(diǎn)都與通信設(shè)備相連。SDH組成環(huán)網(wǎng)絡(luò)可以通過富余的帶寬或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來自動(dòng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)的業(yè)務(wù)，所以這種環(huán)網(wǎng)絡(luò)也稱為自愈環(huán)(SHR)。環(huán)中" title="環(huán)中">環(huán)中使用的復(fù)用設(shè)備是ADM，它用來分插本地信道或者轉(zhuǎn)接通過的信道。實(shí)現(xiàn)自愈功能的常用方法是再增加一條與工作環(huán)并行的通信環(huán)路。根據(jù)環(huán)上的業(yè)務(wù)流向來劃分，可分為單向自愈環(huán)和雙向自愈環(huán)；根據(jù)保護(hù)的對(duì)象來劃分，又可分為通道保護(hù)倒換自愈環(huán)和復(fù)用段保護(hù)倒換自愈環(huán)。在SDH建議中，通過SDH幀結(jié)構(gòu)中的復(fù)用段開銷K1和K2字節(jié)的通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)控制復(fù)用段自動(dòng)保護(hù)倒換的信令，因此K1和K2也被稱為APS字節(jié)，在復(fù)用段保護(hù)倒換中具有特殊的重要的意義。
清華大學(xué)開發(fā)的SDH高階專用集成電路MXHO155－2實(shí)現(xiàn)了從VC－4總線到STM－1的映射以及從STM－1到VC－4的去映射功能，具有完善的再生段開銷、復(fù)用段開銷和高階通道開銷處理，并安排了豐富的片內(nèi)環(huán)回功能。該芯片可用于SDH光傳輸系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自愈環(huán)。具體可以有兩種方案，一種是通道保護(hù)倒換自愈環(huán)，另一種是單向復(fù)用段保護(hù)倒換自愈環(huán)。下面分別介紹其原理、自愈過程。最后分析其性能，包括業(yè)務(wù)容量和經(jīng)濟(jì)效益。
1 通道保護(hù)倒換自愈環(huán)
通道保護(hù)倒換環(huán)是一種最簡單的自愈結(jié)構(gòu)，不需要任何保護(hù)倒換協(xié)議。這種保護(hù)采用“并發(fā)選收”的方式，即業(yè)務(wù)同時(shí)上載到兩個(gè)方向的光纖上傳輸。接收時(shí)則根據(jù)一定的判據(jù)選擇質(zhì)量較好的一路下載。這種方案配合清華大學(xué)開發(fā)的另一塊SDH芯片MXLO21E1－1使用，甚至不需要在片外切換。
2 復(fù)用段保護(hù)倒換自愈環(huán)
這里的復(fù)用段保護(hù)倒換自愈環(huán)指的是二纖單向環(huán)，也是應(yīng)用最為廣泛的一種環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種自愈環(huán)結(jié)構(gòu)，目前ITU－T還沒有明確的建議標(biāo)準(zhǔn)。我們根據(jù)現(xiàn)有的建議，提出了一種使用K1、K2字節(jié)完成的復(fù)用段保護(hù)倒換協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)路自愈功能。
MXHO155－2用于這種系統(tǒng)中，一種較為簡便的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中A、B表示兩片MXHO155－2。倒換位置選擇在上下VC－4總線處，倒換實(shí)際上主要表現(xiàn)為上下VC－4總線的選擇。當(dāng)然，復(fù)用段的倒換不僅只是VC－4，還包括段開銷。根據(jù)需要，實(shí)時(shí)通道E1、E2、F1、DCC1和DCC2都可以在片外進(jìn)行倒換。至于其他需要倒換的開銷字節(jié)，可由軟件控制，通過單片機(jī)讀寫不同的芯片來實(shí)現(xiàn)。
正常工作時(shí)，假設(shè)A片為工作芯片，B片為保護(hù)芯片。則東向來的光纖和去往西向的光纖為工作光纖，另外一對(duì)光纖為保護(hù)光纖。保護(hù)光纖平時(shí)處于空閑狀態(tài)，即沒有凈荷需要接收和發(fā)送，所以只在線路上傳送一個(gè)空的SDH基本幀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的B芯片可簡單地工作于再生中繼環(huán)回狀態(tài)，并可用于向上游節(jié)點(diǎn)回送或者接收下游節(jié)點(diǎn)回送的有關(guān)信息，如遠(yuǎn)端誤碼塊指示M1字節(jié)等。下面用圖2來說明網(wǎng)絡(luò)自愈的過程。
該自愈環(huán)共有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4，并順序分配節(jié)點(diǎn)ID二進(jìn)制數(shù)0001、0010、0011和0100。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被配置為ADM，即從上游節(jié)點(diǎn)碼流中下載一個(gè)VC－4，并往下游發(fā)送碼流中上載一個(gè)VC－4。正常工作時(shí)，業(yè)務(wù)都通過外環(huán)工作光纖順時(shí)針方向傳送。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，就需要用到K1、K2兩個(gè)APS字節(jié)的保護(hù)倒換協(xié)議來保證自愈的正確完成。這里提出的一種APS保護(hù)倒換協(xié)議，盡量遵循ITU－T的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。K1字節(jié)的編碼格式為：前四個(gè)比特編碼表示各種倒換請(qǐng)求，后四個(gè)比特表示發(fā)出倒換請(qǐng)求的源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(ID)。K2字節(jié)的前四個(gè)比特表示接收倒換請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)ID，后四個(gè)比特用來傳送其他復(fù)用段信息，如MS－AIS和MS－RDI等。這一協(xié)議限制了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目不能超過16個(gè)，如果節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過16個(gè)，可用其他未用開銷字節(jié)承載地址信息，這樣保護(hù)倒換時(shí)間可能會(huì)無法保證。
K1字節(jié)倒換請(qǐng)求編碼如表1所示。
其中SF為信號(hào)故障，包括LOS、LOF和預(yù)定義的比特誤碼率；SD為信號(hào)劣化，也為預(yù)定義的比特誤碼率。兩者均可作為啟動(dòng)保護(hù)倒換的判據(jù)。
在圖示環(huán)網(wǎng)中，遵循的原則是：(1)永遠(yuǎn)從同一方向發(fā)送和接收APS字節(jié)；(2)主動(dòng)發(fā)出倒換請(qǐng)求的一方要向發(fā)現(xiàn)故障方向相反的方向發(fā)出APS字節(jié)。
當(dāng)發(fā)生如圖所示的故障時(shí)，倒換過程如表2所示。
倒換過程中，沒有接受倒換請(qǐng)求的中間節(jié)點(diǎn)維持原工作狀態(tài)不變，即工作芯片上下VC－4，保護(hù)芯片做再生中繼環(huán)回。
在上述協(xié)議中，需要考慮幾點(diǎn)：①當(dāng)任何一步?jīng)]有收到確認(rèn)或者沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到確認(rèn)(為了保證倒換時(shí)間要求)，則協(xié)議失敗，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該把此情況上報(bào)網(wǎng)管處理。②如果某節(jié)點(diǎn)完全失效，好的自愈協(xié)議應(yīng)該能把該節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)去除。完成這個(gè)功能只需對(duì)協(xié)議作如下改動(dòng)：若某節(jié)點(diǎn)發(fā)出倒換申請(qǐng)后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到來自目的的節(jié)點(diǎn)的反向請(qǐng)求，則向該節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送倒換請(qǐng)求，并等待回應(yīng)，繼續(xù)執(zhí)行協(xié)議的其余部分。這樣，就可把失效節(jié)點(diǎn)剔除。但是，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換時(shí)間可能會(huì)稍長。
3 性能比較分析
ITU－T建議保護(hù)倒換時(shí)間應(yīng)該小于50ms。通道保護(hù)由于不需要協(xié)議支持，所以倒換速度很快，可以滿足要求，并且此種保護(hù)對(duì)環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目沒有要求。復(fù)用段保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目最多為16個(gè)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)K1、K2字節(jié)需要3幀時(shí)間，轉(zhuǎn)發(fā)或者插入新的APS字節(jié)至少需要延遲1幀時(shí)間，而完成一次倒換最多需要交互3次APS字節(jié)。SDH幀延遲為微秒級(jí)、可以忽略不計(jì)，所以最壞情況下倒換信令最小延遲為：3次×16節(jié)點(diǎn)×(3＋1)幀×125μs＝24ms。這樣還有26ms的時(shí)間供軟件處理APS字節(jié)和完成硬件切換，使用一般的CPU完全可以滿足倒換時(shí)間要求。
從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)容量來看，對(duì)于通道保護(hù)環(huán)" title="保護(hù)環(huán)">保護(hù)環(huán)，由于進(jìn)入環(huán)中的所有支路信號(hào)都要經(jīng)過兩個(gè)方向傳向接受分路節(jié)點(diǎn)，因而環(huán)的業(yè)務(wù)容量最多等于節(jié)點(diǎn)ADM系統(tǒng)的容量STM－1。對(duì)于復(fù)用段保護(hù)環(huán)來說，雖然從每個(gè)節(jié)點(diǎn)來看，業(yè)務(wù)容量也為STM－1，但從網(wǎng)絡(luò)的角度看，每對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù)均可單獨(dú)配置，也即環(huán)中各段的業(yè)務(wù)各不相同，所以總體業(yè)務(wù)容量可大大超過STM－1?？梢姡瑥?fù)用段倒換環(huán)的平均成本更低。
通道保護(hù)環(huán)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它的保護(hù)帶寬顆粒較小，可以提供E1、VC－12、VC－4各種容量等級(jí)的保護(hù)，應(yīng)用最靈活。復(fù)用段倒換則只提供對(duì)VC－4的保護(hù)，主要適合大業(yè)務(wù)量的場合。另外，通道倒換環(huán)的倒換由本地決定，與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，所以除了環(huán)以外，適用于各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?BR> 從額外業(yè)務(wù)量來看，通過保護(hù)環(huán)采用了1＋1的保護(hù)方式，所以保護(hù)通路無法攜帶額外業(yè)務(wù)量；而復(fù)用段保護(hù)環(huán)則采用1：1的保護(hù)方式，正常工作時(shí)，保護(hù)通道可用來攜帶額外的業(yè)務(wù)量，從而提高網(wǎng)絡(luò)利用率。
在各種自愈環(huán)中，網(wǎng)管都起著很重要的作用，它要始終掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜凸ぷ髑闆r，并對(duì)異常情況做出相應(yīng)處理。關(guān)于時(shí)鐘的倒換問題，我們認(rèn)為這種自愈環(huán)路宜于采用全網(wǎng)同步時(shí)鐘，即網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)都使用主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)完全失效后，應(yīng)可自動(dòng)重新選擇主站點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘源。
環(huán)網(wǎng)自愈是SDH光傳輸系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的重要功能。各種自愈環(huán)的原理都很明白，但是具體的實(shí)現(xiàn)方案和保護(hù)倒換協(xié)議卻還很不完善，特別是針對(duì)二纖單向復(fù)用段保護(hù)環(huán)。因此，我們結(jié)合國產(chǎn)芯片，提出了一種專門針對(duì)此種自愈環(huán)的APS協(xié)議，應(yīng)用于STM－1等級(jí)的SDH環(huán)網(wǎng)中。另外，如何解除網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的限制，以及解決業(yè)務(wù)錯(cuò)連、實(shí)現(xiàn)環(huán)的互通等，都是需要進(jìn)一步研究的問題。
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